Tina-vismutti -juotosmetallin binäärinen seos

Tina-vismutti -juotosmetallin binäärinen seos Tekijä: Riku Varje Yhteystiedot: riku.varje@aalto.fi Metallien liittämiseen on olemassa useita erilaisia keinoja. Eräs keino on esimerkiksi erilaisten mekaanisten liitosten, kuten esimerkiksi pulttien ja muttereiden, käyttö. Toinen laajalti käytetty keino on juottaminen. Juottamisessa metallikappaleiden liittäminen yhteen tapahtuu ohjaamalla kappaleiden kuumennettuun liitoskohtaan materiaalia, juotetta, joka sulaa kyseiseen kohtaan ja muodostaa näin liitoksen. Juotteella on suuri rooli juotosprosessissa. Yleisimmät juotteet, joita käytetään, ovat seoksia, jotka sisältävät lyijyä ja tinaa. Käytettyjen juotteiden sulamispiste sijaitsee välillä 90-450 C. [2] Sopiva juotemateriaali riippuu pitkälti juotoskohteesta. Osa kohteista on hyvinkin herkkiä ja vaativat erikoisvalmisteista juotetta, kun taas toiset kestävät hyvinkin alkeellisten materiaalien käyttöä. Väärin valittu materiaalivalinta voi tuoda turhaa jätettä tai jopa estää juotosprosessin suorittamisen. Mekaanisten vaatimusten lisäksi valintaan voi liittyä myös ulkopuolisia tekijöitä, kuten esimerkiksi vaatimus käyttää ympäristöystävällisiä vaihtoehtoja. [4] Kuvassa 1 on erilaisia juottamisessa käytettäviä välineitä. Juottamisessa sulatetaan juotetta, jotta liitos voitaisiin muodostaa. Metallien välille muodostuu liitos, jonka välityksellä lämpö ja sähkö pääsevät kulkeutumaan. Tästä syystä hyvää juotetta valitessa on tutkittava materiaalin sähkön- ja lämmönjohtavuutta ja valittava materiaalit, joilla nämä ominaisuudet ovat halutut. Juotetut liitokset myös heikkenevät ajan edetessä niiden joutuessa ympäristön vaikutuksen ja muun rasituksen kohteeksi. Tämän takia juotetut liitokset täytyy myös olla korjattavissa, mikä täytyy ottaa huomioon, kun valitaan juotemateriaalia. Hyvän juotteen on myös kestettävä siihen kohdistuvat fyysiset rasitukset. [2] Kuvassa 3 on nähtävissä juotosliitoksia. Juotosmateriaalin valinta Juotosmateriaalin tärkeimmät ominaisuudet liittyvät sen sulamiseen ja jähmettymiseen. Eutektisessa jäähtymisessä jäähtymisprosessi on nopea ja se tapahtuu matalassa lämpötilassa. Faasidiagrammia tarkasteltaessa huomataan, että seokset 70 Sn/30 i ja 20 Sn/80 i eivät jäähdy eutektisesti, mikä tarkoittaa, että jähmettyminen seoksen eri osille ei tapahdu samassa lämpötilassa. Näiden käyttäminen olisi niin halutessa mahdollista, mutta löydettävissä on huomattavasti parempikin seoskoostumus. Tällainen on seos 43 Sn/57 i. Kuvaajaa tarkasteltaessa huomataan, että kyseinen seos jäähtyy eutektisesti eli jäähtyminen kiinteäksi tapahtuu molemmille aineille samassa lämpötilassa nopeasti. Sulaminen tapahtuu myös matalammassa lämpötilassa kuin kahdella muulla seoksella. Edellä mainituista syistä eutektisesti jäähtyvä seos tuottaa paremman lopputuloksen juotosprosessissa kuin ei-eutektinen. Kuvassa 5 juote, jonka seos on 42 Sn/58 i. Kuva 3. Juottamalla tehtyjä liitoksia Kuva 1. Juotosvälineitä Juotetta valittaessa on otettava huomioon myös käytännön asiat. Lähes minkälaisen tahansa materiaalin valmistaminen on mahdollista, jos valmistamiseen olisi käytettävissä rajaton määrä rahaa. Tämä kuitenkin on harvoin tilanne. Juotetta käytetään yleensä hyvin suuria määriä, mistä syystä sen valmistamiseen ja hankintaan liittyvät kustannukset on pyrittävä pitämään mahdollisimman pieninä. Valmistamiseen tarvittavien raaka-aineiden on myös oltava hyvin saatavilla, jotta suuria määriä olisi mahdollista valmistaa. [2] Seoksen 43 Sn/57 i eri faasit ja niiden osuudet ja koostumukset riippuvat vallitsevasta lämpötilasta. 200 celsiusasteessa seos on 100% sulaa eli molemmat seosaineet ovat yhdessä sulassa olomuodossa. Seoksen saavutettua 138 celsiusasteen lämpötilan, niin sanotun eutektisen pisteen, alkaa aineiden yhtäaikainen jähmettyminen. Tässä pisteessä sula faasi on tasapainossa seoksen kahden kiinteän faasin kanssa. Tämän pisteen jälkeen molemmat seosaineet alkavat jähmettyä. Seoksen jäähtyessä muodostuu kaksi kiinteää faasia, tina- ja vismuttifaasi. 25 celsiusasteessa molemmat, tina ja vismutti, jäähtyvät. ineiden faasiosuudet tässä vaiheessa ovat seoksen nimen mukaisesti, 43 massaprosenttia tinaa ja 57 massaprosenttia vismuttia. Juotteen vaatimukset Mitä hyvältä juotteelta vaaditaan? Juotteen tarkoituksena on yhdistää kaksi tai useampi metallikappale toisiinsa muodostamalla liitokseen metallinen side. Jotta tämä olisi mahdollista, täytyy juotteen reagoida ennen liitettäviä kappaleita. Tämä tarkoittaa, että juotteen sulamispisteen on oltava matalampi kuin liitettävien kappaleiden. Monet elektroniikkakomponentit ovat hyvin herkkiä vallitsevalle lämpötilalle, mistä syystä juotosliitos on syytä pyrkiä muodostamaan mahdollisimman matalassa lämpötilassa. Juottamistilanteessa on mahdollista, että liitettävät kappaleet voivat liikkua, mikä puolestaan johtaa siihen, että liitoksesta ei tule paras mahdollinen. Tästä syystä juotteen on syytä sulaa täysin hyvin nopeasti, jotta kappaleet eivät ehtisi liikkua ja lopputuloksesta tulisi haluttu. Tällaista seosta, joka nopeasti muuttaa muotoaan täysin kiinteästä täysin nesteeksi tai toisin päin, kutsutaan eutektiseksi seokseksi. [1] Hyvää juotetta valitessa on syytä miettiä myös terveysriskejä. Lyijypohjaisia juotteita on käytetty jo kauan, mutta kuten tutkimukset ovat osoittaneet, lyijyn käyttö ei ole täysin ongelmatonta terveyden kannalta, mistä syystä onkin ehkä syytä pyrkiä käyttämään terveydelle vähemmän haitallisia materiaaleja. Lyijyttömät juotteet ovat kuitenkin useimmiten hinnaltaan kalliimpia ja niiden ominaisuudet eivät aina aivan yllä lyijyn tasolle. [1] Myös materiaalin vaikutukset ympäristöön on syytä ottaa huomioon. [2] Kuvassa 2 on lyijyä sisältävä juote. Kuva 2. Lyijyä sisältävä juote Kuva 5. Tina-vismutti -juote Kuva 4. Tina-vismutti juotosmetallin faasidiagrammi. Eutektinen piste ympyröity punaisella. Eutektinen jähmettyminen Juotteisiin liittyy hyvin keskeisesti termi eutektinen jähmettyminen. Riippuen materiaalista, käyttäytyvät ne eri tavalla jäähtyessään sulasta kiinteäksi. Valtaosa materiaaleista jäähtyy siten, että sulan materiaalin jäähtyessä seoksen jokin materiaali alkaa jähmettyä toisia ennen. Tästä syystä materiaalin täydelliseen jähmettymiseen kuluu jokin aika. Poikkeuksen tekevät seokset, joilla on hyvin alhainen sulamispiste. Eutektisessa jähmettymisessä seoksen saavutettua niin sanotun eutektisen pisteen (Kuva 4), muuttuu se välittömästi sulasta faasista kiinteään faasiin. Reaktio on käytännössä välitön. Tämä on toivottava ominaisuus juotteelle, koska nopea sulaminen mahdollistaa liitoksen nopean valmistuksen, mikä vähentää kappaleiden juotoksen aikaisesta liikkumisesta johtuvien virheiden määrää. Matala sulamispiste myös helpottaa liitoksen tekemistä, koska liitettävät kohteet eivät tällöin joudu kohtuuttoman suuren rasituksen kohteeksi lämmön toimesta. [3] [1] https://www.lifewire.com/using-a-hot-air-rework-station-818950 [viitattu: 20.2.2017] [2] http://www.totalmateria.com/page.aspx?idcheckrticle&sitektn&nm 229 [viitattu: 20.2.2017] [3] CES EduPack Student Learning Package: Teach Yourself Phase diagrams and Phase Transformations [4] http://www.palomartechnologies.com/blog/selecting-the-rightsolder-alloy-for-your-application [viitattu: 20.2.2017] Kuvalähteet Kuva 1. http://www.proaudioland.com/wp/wpcontent/uploads/2015/08/749939_co1.jpg Kuva 2. https://images-na.ssl-imagesamazon.com/images/i/81t0pbt2spl._sl1500_.jpg Kuva 3. https://www.easyink.co.nz/support/wpcontent/uploads/2013/06/dry-joint-after-.jpg Kuva 4. http://stellartechnical.com/images/products/detail/slt.125.jpg

l Cu3-seoksen erkautuskarkaisu Tekijä: Heikki Lagus Yhteystiedot: heikki.lagus@aalto.fi Karkaisun tavoite Karkenevilla binäärisillä metalliseoksilla karkaisun tavoite on saada käyttölämpötilassa stabiilien tai metastabiilien faasien mikrorakenne seoksessa sellaiseksi, että se estää tehokkaasti dislokaatioiden liikettä ja siten lujittaa metalliseosta. Dislokaatioiden välisen etäisyyden on oltava riittävä pieni, jotta lujittumista tapahtuu Liuoslujittumisessa kupariatomit ovat epäsäännöllisessä järjestyksessä korvausatomeina alumiinihilassa. Vanhentamisen kestoajan ja lämpötilan yhdistelmä on valittava niin, että päädytään q -faasin alueelle. Kuva 6. Kupari-atomeja ylikylläisessä a-faasissa[7] Erkautushehkutuksen aikana diffuusio kuljettaa kupariatomeja kohti rakenteeseen ydintyneitä Cul2 alueita. Nämä muodostuvat levymäisiksi erkaumiksi, Guinier-Preston vyöhykkeiksi, joiden tasomaiset otsapinnat ja reunat ovat erilaisesta hilavakiosta huolimatta täysin koherentteja amatriisin kanssa. Tämä aiheuttaa kiteeseen laajalle ulottuvan jännityskentän, joka estää dislokaatioiden liikettä. Kuva 13. Eri faasit erkautuksessa [12] 3 % kuparia sisältävän alumiinin erkautuskarkaisu Tasapainopiirroksesta nähdään, että kun alumiiniin seostetaan 3 painoprosenttia kuparia, a-faasi on stabiili lämpötila-alueelle 470 600o C. Liuotushehkutuksen tulee tapahtua tällä lämpötila-alueella. Valitaan liuotushehkutuslämpötilaksi 520o C. Kuumennetaan työkappale suolasulatteessa haluttuun lämpötilaan, mihin kuluu aikaa muutamia minuutteja. Sammutetaan työkappale veteen niin, että loppulämpötila on noin 40 o C. Kuva 1. Dislokaatioisden välimatkan vaikutus leikkausvoimaan [1] Erkautuskarkaisun vaiheet Erkautuskarkaisun vaiheet ovat liuotushehkutus sammutus erkautushehkutus eli vanhentaminen jäähdytys Kuva 7. Guinier-Preston vyöhykkeitä [8] Erkautushehkutusta jatkettaessa Guinier-Preston vyöhykkeet kasvavat ja joistakin niistä muodostuu q -faasia. Muut Guinier-Preston vyöhykkeet liukenevat ja diffuusio kuljettaa niiden kuparin kasvaviin q -erkaumiin. Erkaumien otsapinnat ovat täysin koherentteja a-matriisin kanssa. Erkaumien reunat ovat edelleen koherentteja, vaikkakin q - ja a-faasien hilavakioiden eroavaisuus vaikuttaa syntyvään jännityskenttään. Kuva 2. Erkautuksen lämpökäsittelyn vaiheet [2] Kuparin liukoisuus alumiiniin on suurimmillaan 5.65 % eutektisessa lämpötilassa 548o C, mutta liukoisuus laskee nopeasti lämpötilan laskiessa. 250o C lämpötilassa liukoisuus on vain 0,1 0,2 %. Ylikylläisessä a -faasissa oleva kupari pyrkii erkautumaan ja muodostaa kovan ja hauraan l2cu metalliyhdisteen, q-faasin. Eutektinen piste on lähempänä q faasia, joten q faasi muodostaa eutektikumin matriisin raerajoja pitkin. [3] Kuva 14. lumiini kupari faasidiagrammi[14] Vanhentamiseen voidaan valita haluttu lämpötila-aika yhdistelmä, kun pysytään alle 180o C lämpötilassa, jotta muodostuu Guinier-Preston vyöhykkeitä. Jos tämä lämpötila ylitetään, on liuotushehkutus uusittava. [15] Kuva 8. q -erkaumia [9] Kuva 3. Hidas jäähtyminen [4] Erkautushehkutuksen lämpötila vaikutta diffuusionopeuteen ja aikaan, jonka kuluessa muutokset tapahtuvat. Lämpötilan tulee olla alle 180o C, jotta Guinner-Preston vyöhykkeitä ylipäätään muodostuu. Jos erkautushehkutusta edelleen jatketaan, alkaa matriisin epäjatkuvuuskohtiin ydintyä q -faasia. Nyt otsapinnat ovat edelleen koherentteja matriisin kanssa, mutta erkaumien reunat ovat epäkherentteja. Nopeassa jäähtymisessä kupariatomit eivät ehdi diffundoitua muodostamaan q faasia, vaan jäävät liuotushehkutuksen aikaisiin asemiinsa ylikylläiseen a faasiin. Kuva 14. Esimerkki aika-lämpötilayhdistelmistä 130o C lämpötilassa diffuusio on hidasta ja vanhenemisaika vuorokausia. Tehtävän seoksella maksimilujuus saavutetaan noin 40 vuorokauden vanhentamisella. Kuva 9. q -erkaumia [10] Kuva 4. Nopea jäähtyminen[5] Hehkutusta jatkettaessa ydintyy tasapainotilassa esiintyvä Cul2 (q-faasi) raerajoille ja q -matriisi rajapinnoille. Kaikki q -erkaumat liukenevat ja antavat kuparin kasvavalle q-faasille. Periaatteellisessa kuvassa nähdään, miten faasimuutos tapahtuu eräässä alumiini-kupari seoksessa vanhenemisen aikana. Sammutuksen tulee tapahtua niin nopeasti, että sen aikana pysytään ylikylläisen a-faasin alueella. Kuva 15. Eri faasit erkautuksessa [16] Lindroos et al., s. 598 Faasien suhteelliset osuude eri vaiheiden lopussa ovat liotushehkutus, a-faasi, 100 %, Cu 3 paino% sammutus, ylikylläinen a-faasi, 100 %, Cu 3 paino% Vanhentaminen, vipusäännöllä a-faasi noin 94 %, Cu alle 0,1 paino%, Cul2 q -faasina noin 6 %, Cu noin 3,4 paino% Kuva 10. Kutistuva q -erkauma ja kasvava Cul2 [11] Yhteen kuvaan koottuna myötörajan kehittymisessä voidaan erottaa edellä kuvatut vaiheet. Kun dislokaatiot voivat joko kiertää erkaumat tai leikata niitä, saavutetaan lujittumisen huippuarvo näiden kehityskulkujen leikkauspisteessä. Kuva 5. Periaatekuva erkautuskarkaisun lämpökäsittelystä [6] Lujittumisen tekijät lumiini-kupariseoksen lujittumisessa voidaan erottaa seuraavat tekijät liuoslujittuminen koherenttien Guinner-Preston vyöhykkeiden ja q -faasien aikaansaamasta jännityskentästä johtuva lujittuminen erkautuskarkeneminen Kuva 11. Myötölujuuden muutos, 4 % kuparia, erkautuslämpötila 150o C [12] Tuotannollisista syistä valitaan lämpötilaksi 170o C, jolloin aika on noin 10 tuntia. Tämä edellyttää tarkkaa lämpötilan säätöä vanhennuksen aikana ylivanhenemisen välttämiseksi. [1] shby, M.F., Jones, D.R.H, Werkstoffe 1: Eigenschaften, Mechanismen und nwendungen, Springe, erliini, 2013, ISN 978-3-7248-1708-4, s. 95 [2] Callister, W.D., Rethwisch, D.G, Materials Sciense and Engineering, Eight Edition, Jon Wiley % Sons, Inc, 2011, ISN 978-0-470-50586-1, s. 438 [3] Lindroos et al., Uudistettu Miekkojan metallioppi, Otava, Helsinki 1986, ISN 951-666-216-1, s. 596 [4] shby, M.F., Jones, D.R.H, Werkstoffe 2: Metalle, Keramiken und Gläser, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe, Springer, erliini, 2012, ISN 978-3-8274-1709-5, s. 86 [5] shby (2), s. 86 [6] shby (2), s. 87 [7], [8], [9], shby (2), s. 88 [10], [11], [12] shby (2), s. 89 [13]shby (2), s. 90 [14] Tehtävänanto [15]shby (2), s. 90 [16] Lindroos et al., s. 598

lieutektoidisen teräksen normalisointi Tekijä: Eero lkio Yhteystiedot: eero.alkio@aalto.fi Tässä posterissa käsitellään normalisoinnin vaikutuksia teräkeen. Keskitymme erityisesti alieutektoidisen teräken normalisointiin. Eutektoidinen teräs tarkoittaa terästä, jossa kiinteä faasi on tasapainossa kahden muun kiinteän faasin kanssa. lieutektoidisessa teräksessä faasit koostuvat ferriitistä sekä jäähdytyslämpötilasta riippuen yleisimmin joko austeniitista, perliitistä tai martensiitista. Normalisoinnilla on muutama keskeinen vaikutus terästuotteille. Esimerkiksi valuterästuotteille normalisointia käytetään karkean valurakenteen poistamiseksi. Normalisointia käytetään taotuille kappaleille epähomogeenisuuden poistamiseen sekä hitsatuille ja polttoleikatuille tuotteille erilaisten ilmiöiden, esim. rakeenkasvun, eliminoimiseksi. Normalisoinnilla teräksen rakenne voidaan saattaa jälleen hienorakenteiseksi ja samalla palauttaa mekaaniset ominaisuudet ennalleen. [1] Rauta-hiili tasapaino Teräksellä hiilen eutektoidinen Fe-C tasapainoraja on 0.76% hiiltä ja lämpötila 727 C. Eutektoidinen teräs jakautuu kahteen osa-alueeseen: ali- ja ylieutektoidiseen teräkseen. Ylieutektoidisella teräksellä tarkoiteen yli 0.76% hiilipitoisuutta ja alieutektoidisella vastaavasti alle 0.76% hiilipitoisuutta. Tehtävänannossa pyydettiin määrittämään alieutektoidisen 0,4 p.% C teräksen faasiosuudet sekä -koostumukset lämpötiloissa 750 C ja 25 C. Tarkastellaan aluksi 750 C tapausta teräksen faasidiagrammista. Faasimuutokset Ydintyminen on tärkeä termi faasimuutoksissa. Kide aloittaa kasvunsa ytimestä ja rae jatkaa kasvamistaan tasapainotilaan saakka. Tasapainotilaan voidaan vaikuttaa jäähdytyslämpötilan suuruudella: pieni alijäähtyminen tuottaa seoksen, jossa on vähän ytimiä mutta suuria kiteitä, kun taas suuren alijäähtymisen lopputulos on seos, jossa on paljon ytimiä mutta pieniä kiteitä. [5] Normalisoinnin vaiheet Kuvissa austeniitti muuttuu perliitiksi jäähdytyksen seurauksena Kuva (1): Normalisoinnin kulku Kuvassa 1 käsitellään eutektoidisen Fe-C teräksen normalisointia yleisesti. usteniittialue on 3 rajasta ylöspäin (T > 727 C). usteniitti tarkoittaa metallista, ei-magneettista raudan ja seosaineen kiinteää liousta, jonka kiderakenne on kuutiollinen (pkk). [2] Normalisoinnissa teräs kuumennetaan austeniittialueelle ja lämpötilaa ylläpidetään niin kauan, että austeniitti homogenisoituu täysin. Tämän jälkeen teräs jäähdytetään. Jäähdytettäessä austeniitti alkaa muuttua perliitiksi. Ferriitin ja sementiitin pitoisuussuhteet riippuvat jäähdytyslämpötilasta. Normalisoinnilla saavutetaan tässä tapauksessa sitkeä ja hienojakoinen ferriitti-perliitti mikrorakenne. Kuvassa oikealla olevissa ruuduissa kuvataan rakenteen muutosta teräksessä. Lähtien vasemmalta alhaalta prosessissa on ensiksi suurirakeista ferliitti-perliittiä, joka lämmittäessä alkaa muovautua suurirakeiseksi austeniitti-ferriitti-perliitti seokseksi lämpötilan noustessa kriittisen 727 C asteen yläpuolelle. Hiilipitoisuuden ollessa 0.5 p.% ja lämpötilan noustessa noin 760 C asteen yläpuolelle alkaa loppuosa ferriitistä muuttua homogeeniseksi austeniitiksi, jonka kidekoko on selvästi pienentynyt (ylin neliö). Tämän jälkeen jäähdytettäessä alle 760 C asteen alkaa austeniitin sisään muodostua pienikokoisia ferriittirakeita. Jäähdyttämällä edelleen saadaan austeniitin raekokoa pienemmäksi samalla kun ferriitin määrä seoksessa kasvaa. Viimeinen neliö (oikea alakulma) kuvaa alijäähtymisen jälkeistä rakennetta, jossa austeniitti on muokkautunut perliitiksi. Fe-C faasidiagrammi Faasien koostumus: 750 C teräs kostuu α-ferriitistä ja γ-austeniitista. Haetaan kuvaajasta 750 C vastaavat hiilipitoisuudet faaseille. Ferriitin hiilipitoisuus Cα on tasapainolämpötilassa 727 C korkeimmillaan 0.022 p.% C ja 750 C noin 0.019 p.% C. usteniitin Cγ on noin 0.60 p.% C. Co 0.40 p. % C. [3] Faasiosuudet: [3] w α Cy C 0 Cy C α w y C 0 C α C γ C α 0.60 0.40 0.60 0.019 0.40 0.019 0.60 0.019 0.344 34.4% 0. 656 65. 6% usteniitin faasiosuus on siis 65.6% ja ferriitin faasiosuus 34.4%. Koska lämpötila on yli eutektoidisen tasapainorajan, niin perliittiä ei pääse muodostumaan ollenkaan. Faasiosuudet kuvautuvat aika tarkasti alla kuvan alemmassa neliössä. Mikäli terästä vielä jäähdytettäisiin noin 650 C asteeseen, niin austeniitti alkaisi muuttua perliitiksi. Jäähdytyslämpötilalla on merkitys faasirakenteen muodostamisessa. Riippuen lämpötilasta jossa suoritetaan termodynaaminen pito, eli pidetään jäähdytettyä lämpötilaa vakiona faasimuutoksen läpikäynnin ajaksi, austeniitista muodostuu joko perliittiä, bainiittia, sferoidiitta taikka martensiittia. Näillä jokaisella on erilainen kiderakenne ja sitä myöten erilaiset lujuusominaisuudet. Tutkitaan seuraavavaksi 25 C teräksen koostumusta. Eutektoidisen muutoksen nopeus riippuu vahvasti lämpötilan suuruuden muutoksesta kun rekristallisaationopeus kasvaa. Esimerkiksi perliitin muodostuminen on nopeimmillaan hieman alle 600 C, jolloin muodostumiseen kuluva aika on noin 10 sekuntia, kun 675 C vastaava aika olisin noin 750 sekuntia. Faasimuutoksen nopeus vaikuttaa perliitin rakenteeseen siten, että korkeassa lämpötilassa hitaammalla muuttumisella muodostuu karkealemmillista perliittiä, joka on pehmeämpää verrattuna matalammassa lämpötilassa nopeasti muodostuneeseen hienolammelliseen perliittiin. Jos lämpötilaa laskettaisiin enemmän, niin austeniitti muuttuisi perliitin sijaan bainiitiksi, jonka rakenteessa on ferriittilammelleja sekä tankomaista sementiittiä. 800 600 400 200 10-1 austeniitti (stabiili) 10 Perliitin sekä bainiitin lämpötila-aika käyrä P perliitti/bainiitti raja 10 3 10 5 T E time (s) Faasien koostumus: Faasidiagrammista ei voi lukea ferriitin määrää, mutta 0 C ferriitin osuus on 0.001 p.% [4], joten oletamme ferriitin Cα olevan noin 0.002 p.%. Sementiitin hiilipitoisuuden voimme lukea diagrammista. Cs 6.70 p.% C Faasiosuudet: Wa Cs Co Cs Ca 6. 70 0. 4 6. 70 0. 002 0. 941 94. 1 % Ws Co Ca Cs Ca 0.4 0.002 6.70 0.002 0. 059 5. 9 % Kuva 2: Teräksen kuumennus Normalisoinnissa, kuten muissakin lämpökäsittelyissä, austenointihehkutuksen lämpötila on tärkeä. Jos austenointi lämpötila on liian korkea, niin teräksen raekoko kasvaa. Tämä heikentäisi teräksen rakennetta. Normaaleilla hiiliteräksillä sopiva austenoinnin lämpötila on noin 50 C astetta 3 rajan yläpuolella, eli 0,5 p.% hiilipitoisuudella noin 820 C astetta. lieutektoidisella 0.4 p.% hiilipitoisella teräksellä tämä lämpötila olisi hieman korkeampi, suunnilleen 840 C astetta. Jos teräs on tässä tapauksessa jäähdytetty suoraan 25 C, niin austeniitti (pkk) on muuttunut martensiitiksi (tkt). Martensiittireaktio on erittäin nopea, minkä vuoksi hiili ei ehdi sitoutua karbideihin, vaan jää martensiitin hilaan välisija-atomeina. 800 600 400 200 10-1 austeniitti (stabiili) M + M + M + P T E 0% 50% 90% 10 10 3 10 5 aika (s) [1] http://www.ims.tut.fi/vmv/2005/vmv_4_1_1.php [2] https://fi.wikipedia.org/wiki/usteniitti [3] Callister suomenkieliset kalvot ch9 [4] https://en.wikipedia.org/wiki/ferrite_%28iron%29 [5] Callister suomenkieliset kalvot ch10

ihe 1 Metalliseoksen jähmettyminen tasapainonmukaisella mekanismilla Tekijä: Joel Tolonen Yhteystiedot: joel.tolonen@aalto.fi Kupari-nikkeliseos Tarkastellaan kahden metallin, kuparin ja nikkelin seosta. Kupari- ja nikkeliatomit ovat lähes saman kokoisia ja niiden elektronegatiivisuudet ovat melkein saman suuruiset. Tästä syystä kupari ja nikkeli liukenevat toisiinsa täysin. Ne liukenevat toisiinsa kaikilla seossuhteilla ja pysyvät liuenneina myös kiinteässä olomuodossa. Tämä havaitaan kuvassa 1. Lämpötilaa lasketaan edelleen ja seuraavaksi saavumme pisteeseen C, jossa sulan koostumus on 32 p.% Ni ja kiinteän faasin, eli kiteiden koostumus on 43 p.% Ni. Voimme vipusäännön avulla laskea faasidiagrammista kiinteän α-faasin ja sulan L-faasin suhteelliset määrät pisteessä C seuraavalla tavalla. Mitataan pisteestä C oikealle lähtevän sinisen viivan pituus ja jaetaan se viereisen vihreän viivan ja sinisen viivan itsensä yhteispituudella: 43 35 43 32 73 painoprosenttia sulaa faasia Ja loput 27 p.% on jähmettynyttä α-faasia. Sama laskutoimitus olisi voitu tehdä myös pisteessä, jolloin olisimme saaneet tulokseksi, että pisteessä on enimmäkseen vain sulaa faasia ja vain vähän kiinteää α-faasia. Kuva 1. Kupari-nikkeli -seoksen faasidiagrammi. [2] Kupari ja nikkeli muodostavat jähmetyttyään vain yhden kiinteän faasin (solid kuvassa 1, tai α kuvassa 2), jossa eri atomit ovat liuenneet toisiinsa atomitasolla. Monet muut metalliseokset muodostavat useita kiinteitä faaseja jähmettyessään, sillä alkuaineen liukoisuus toiseen alkuaineeseen on yleensä rajallinen ja ylimääräinen liukenematon alkuaine muodostaa oman faasinsa, jonka sekaan toki myös liukenee hieman toista alkuainetta. Jähmettymisesimerkki Tarkastellaan kupari-nikkeli -metalliseosta, jossa on 35 painoprosenttia nikkeliä ja loput 65 paino-% kuparia, kuten liila katkoviiva kuvassa 2. Lähdetään liikkeelle pisteestä, jossa metalliseos on sulaa 1300 C lämpötilassa. Tällöin kupari ja nikkeli ovat liuenneet toisiinsa ja muodostavat yhden sulan metallin faasin. Kun lämpötilaa lasketaan ja saavutaan pisteeseen, alkaa metallisulan sisälle kiteytyä pieniä kiinteitä metallikiteitä (siniset klöntit kuvassa), joiden koostumus ei olekaan enää 35 p.% nikkeliä, vaan pisteestä lähtevää vaakaviivaa seuraamalla 46 p.% Ni. Pisteessä metallissa on siis kahta faasia: sulaa L, sekä kiinteää faasia α. Tässä vaiheessa sulan koostumus on vielä 35 p.% Ni, mutta sulan nikkelipitoisuus alkaa pian laskea kun lämpötilaa lasketaan edelleen, sillä kasvavat kiteen syövät sulasta suhteessa enemmän nikkeliä kuin kuparia. Kun lämpötila laskee, tullaan pisteeseen D, jossa lähes kaikki metalli on jähmettynyt α-faasiksi, eli tilanne on päinvastainen kuin pisteessä. Pisteessä D sulassa on enää 24 p.% nikkeliä ja kiinteän faasin nikkelipitoisuus alkaa lähestyä koko systeemin nikkelipitoisuutta 35 p.% Ni. Pisteen D alapuolella vielä kylmemmässä lämpötilassa, eli esimerkiksi pisteessä E sulaa ei ole enää yhtään jäljellä, vaan kaikki metalli on kiinteää. Kupari-nikkeliseoksella ei siis ole yhtä sulamispistettä, vaan sillä on noin 50 C laajuinen alue, jossa metalli muodostaa puuromaisen kiinteän ja sulan faasin seoksen, joiden määrät riippuuvat lämpötilasta. Tasapainonmukainen jähmettyminen Edellä kuvatut tapahtumat pätevät vain, jos metalliseos jähmettyi tasapainon mukaisesti. Jos seos sen sijaan jäähtyy nopeasti, ei tasapaino ehdi pysymään yllä diffuusion avulla, vaan tapahtuu mikrosuotautumista. Tällöin jähmettyvien kiteiden ytimien nikkelipitoisuudeksi jää ääritapauksessa 46 p.% ja kaikkein viimeisimpänä jähmettyvän kiteen ulkokuoren nikkelipitoisuus voi siten jäädä jopa alle 35 p.%. Jos jäähtyminen on riittävän hidasta, on diffuusiolla aikaa tasoittaa nikkeli- ja kuparipitoisuuksia systeemissä ja ideaalitilanteessa kiteiden nikkelipitoisuus on sama sekä ytimessä, että ulkokuorella, eli aiemmassa esimerkissä kauttaaltaan 35 p.%. Käytännössä metalliseosten jäähtymistä ei ole aikaa odotella ikuisuuksia, joten yleensä kiteiden ytimiin jää jonkin verran erisuuruinen alkuainepitoisuus kuin kiteiden ulkokerroksiin. Kupari-nikkeli - esimerkissämme tämä laskisi koko systeemin sulamispistettä, sillä vähänikkelinen metalli sulaa faasidiagrammin (kuva 1) mukaan alhaisemmassa lämpötilassa kuin runsasnikkelinen ja siten kiteiden ulkokerrokset sulaisivat odotettua pienemmässä lämpötilassa. L (sula) L: 35 p.%ni Cu-Ni systeemi 1300 L: 35 p.% Ni a: 46 p.% Ni 32 35 C 43 46 1200 24 D E 36 L: 32 p.% Ni a: 43 p.% Ni 1100 20 a (kiinteä) L: 24 p.% Ni 1 a: 36 p.% Ni 30 35 40 50 Fig. 9.4, Callister 7e. C o p.% Ni Kuva 2. Rajattu alue kupari-nikkeliseoksen faasidiagrammista. [1] (28.2.2017) [1] Callisterin suomenkielinen kalvo ch09 kurssin MyCourses-sivulla https://mycourses.aalto.fi/mod/folder/view.php?id187681 [2] CES EduPack Student Learning Package: Teach Yourself Phase diagrams and Phase Transformations. Otettu kurssin MyCourses-sivuilta https://mycourses.aalto.fi/mod/resource/view.php?id201603 [3] Non equilibrium cooling of alloys. Video katsottavissa: https://www.youtube.com/watch?vluanxikqxq

Eutektoidinen teräs vakiolämpötiloissa Tekijä: leksi Hakala Yhteystiedot: aleksi.hakala@aalto.fi Faasidiagrammit ovat oiva ja tärkeä väline materiaalien tutkimisessa. Ne näyttävät missä olomuodossa materiaali on tietyissä olosuhteissa. Diagrammit koostuvat koordinaatistosta, jossa akseleina toimivat halutut olosuhteet, kuten esimerkiksi lämpötila tai aineen pitoisuus seoksessa. Lisäksi koordinaatistossa on viivoja, jotka esittävät materiaalin faasinmuutosrajoja. Jos diagrammissa siirrytään viivojen rajaamalta alueelta toiselle muuttamalla olosuhteita, tarkasteltavan materiaalin olomuoto muuttuu. Jos teräkselle muodostetaan faasidiagrammi, jonka akseleina toimivat lämpötila ja hiilen määrä teräksessä, saamme aikaan seuraavan laisen kaavion: Eutektoidista terästä käytetään monissa kohteissa sen hyvien ominaisuuksien takia. Perliittisessä muodossaan se on kovaa ja kestävää, muttei kovin sitkeää. Sitä käytetään esimerkiksi leikkaustyökaluissa, vaijereissa, terissä, nauloissa ja jopa junien kiskoissa. Isoterminen lämpökäsittely Lämpötilaa säätelemällä voidaan muuttaa materiaalin olomuotoa ja ominaisuuksia. Eutektoidisen teräksen isotermisessä lämpökäsittelyssä on kyse materiaalin rakenteen muuttamisesta pitämällä sitä tietyssä lämpötilassa tietty aika. Rakennetta voidaan muuttaa perliittisestä, bainiittisesta tai martensiittisesta muodosta austeniittiseen muotoon tai päinvastoin. Muutossuunnan päättää käytettävä lämpötila ja alkuperäinen faasi. Eutektoidinen lämpötila teräkselle on 727 celsius astetta. Jos haluamme muuttaa perliittiä, bainiittia tai martensiittia austeniitiksi, on lähtömateriaalissa oltava jotain niistä ja lämpötilan, jossa materiaalia pidetään, oltava yli 727 celsius astetta. Jos taas haluamme muuttaa austeniittia perliitiksi, bainiitiksi tai martensiitiksi, on alkuperäisessä kappaleessamme oltava austeniittia, ja käytettävän lämpötilan oltava 727 celsiusta tai alempi. Näiden muutosten nopeus riippuu muokkauslämpötilasta. lla olevasta TTT-diagrammista (timetemperature-transformation) Näemme eutektoidisen teräksen muutoksiin tarvittavia aikoja ja lämpötiloja, sekä sen mitä milläkin lämpötilalla syntyy ja missä ajassa. Punaisella viivalla muutos alkaa, sinisellä viivalla puolet on muuttunut, vihreällä viivalla muutos on tapahtunut täysin. Keltaisen paksun viivan alapuolella alkaa muodostumaan martensiittia. tarkoittaa austeniittia, P tarkoittaa perliittia ja tarkoittaa bainiittia. [1] Tapaus 2: Lopussa 100% martensiittia. Kuva 1. Teräksen faasidiagrammi [1] Kaaviosta näemme alueen, jolla teräs on usteniitti-allotroopissaan (γ, ustenite). Tämän kaavion vasemman alakulman alueelta löydämme kolmen viivan risteyksen, jonka alla luku 0,76. Tämä on teräksen eutektoidinen piste. Siinä teräksen hiilipitoisuus on 0,76% ja lämpötila 727 celsius astetta. Terästä, jonka hiilipitoisuus on 0,76% kutsutaan siis eutektoidiseksi teräkseksi. Eutektoidinen teräs Eutektoidinen teräs on kiinteää eutektoidisen lämpötilan molemmin puolin. Kun lämpötila on yli eutektoidisen pisteen lämpötilan, teräs on austeniitiksi kutsutussa muodossa. Kun lämpötila lasketaan eutektoidilämpötilaan tai alle, muttei kuitenkaan 540 celsiusasteeseen, alkaa austeniitista muodostua perliittiä. Jos lämpötila taas lasketaan 540 celsiusasteeseen tai alle, muttei kuitenkaan 215 celsiusasteeseen, alkaa austeniitista muodostua bainiittia. Jos lämpötila lasketaan 215 celsiukseen tai alle alkaa austeniitista muodostumaan martensiittia. Jos austeniitista halutaan muuta kuin perliittiä, pitää lämpötilan laskun olla hyvin nopea; lämpötila on laskettava yli 727 celsiuksesta alle 540 celsiukseen n. 0,7 sekunnissa. Muuten ainakin osa austeniitista muodostuu perliitiksi. Näistä voidaan päätellä, että huoneenlämpöinen eutektoidinen teräs on joko perliittiä, bainiittia, martensiittia tai näiden seosta riippuen jäähdytysnopeudesta ja välilämpötiloista. usteniitti on metallinen, ei magneettinen ja kiinteä raudan, ja sen rautavaltaisten seosten, allotrooppi. Kyseisen allotroopin kiderakenne on pintakeskeinen kuutiollinen rakenne (pkk) ja hiilipitoisuus 0,76%. Perliitti taas on teräksen kerroksista koostuva mikrorakenne, jossa vuorottelevat ferriitti- ja sementiittilamellit. Ferriitti on raudan ja rautavaltaisten seosten toinen allotrooppi, jossa kiderakenne on tilakeskeinen kuutio (tkk). Ferriitissä hiilen pitoisuus on austeniittia pienempi (0,022%). Ferriitti on ominaisuuksiltaan kiinteä ja hyvin magneettinen. Sementiitti on raudan ja hiilen muodostama välisijayhdiste, jossa hiilen pitoisuus on austeniittia suurempi. Sen massasta 6,67% on hiiltä ja 93,3% rautaa sekä sen kemiallinen kaava on Fe 3 C. Sillä on ortorombinen kiderakenne, jonka ansiosta se on kovaa mutta haurasta. ainiitti on teräksen mikrorakenne, joka syntyy austeniittia jäähdyttämällä 215-540 celsiusasteen lämpötilassa. Sillä on hyvät mekaaniset ominaisuudet; se on sitkeää ja lujaa. Martensiitti on myös teräksen mikrorakenne, joka saadaan jäähdyttämällä austeniittia alle 215 celsiuksen lämpötilaan. Sillä on tilakeskeinen tetragoninen kiderakenne. Kaikissa muodoissaan eutektoidinen teräs kuitenkin koostuu rakeista ja raerajoista, kuten metallit muutenkin. Rakeiden sisällä kuitenkin materiaali on järjestäytynyt kiderakenteen mukaisesti yllä kuvatuilla tavoilla. Perliitin muodostuessa austeniitista, sitoo sementiitti ferriittiä enemmän hiiliatomeja itseensä. [1] Kuva 3. Eutektoidisen teräksen isotermisen muutoksen diagrammi (TTT-diagrammi) [1] Esimerkkejä isotermisestä lämpökäsittelystä Otetaan muutama erilainen skenaario ja yllä olevan TTT-diagrammin avulla arvioidaan lopullinen mikrorakenne ja faasiosuudet. 1. Nopea jäähdytys 500 celsiukseen, pidetään lämpötilaa 100 sekunnin ajan, minkä jälkeen nopea jäähdytys huoneenlämpöön. 2. Nopea jäähdytys 200 celsiukseen, pidetään lämpötilaa 1000 sekunnin ajan ja jäähdytetään nopeasti huoneenlämpöön. 3. Nopea jäähdytys 160 celsiukseen, pidetään lämpötilaa 10 sekuntia, lämpötilan nopea nosto 300 celsiukseen, pidetään lämpötilaa 10 000 sekuntia ja nopea jäähdytys huoneenlämpöön. 4. Esimerkki lämpökäsittelystä, jonka lopputuloksena hienorakeinen, perliittinen mikrorakenne. Tapaus 3: Lopussa 50% martensiittia, 50% bainiittia. Tapaus 4: Haluttiin perliittinen mikrorakenne, joka voidaan saavuttaa alle 727 ja yli 540 celsiuksen lämpötiloissa. On siis valittava työstölämpötila tältä väliltä. Toisaalta haluttiin myös hienorakeinen rakenne, joka saavutetaan mahdollisimman pienellä lämpötilalla. Tällöin rakeiden kasvunopeus on hitaampi, jolloin syntyy useampi pienempi rae. Yhteenveto Eutektoidinen teräs on rauta-hiili-seos, jossa hiilen massaosuus on 0,76%. Tällaisen materiaalin isotermisellä lämpökäsittelyllä saadaan valittua teräkselle sen mikrorakenne. Lämpötilan säädöllä ja lämpötilan pitoajoilla voidaan vaikuttaa miten suuri osa austeniitista muutetaan muiksi faaseiksi. Eutektoidisen teräksen allotrooppeja ovat austeniitti, perliitti, bainiitti, martensiitti, ferriitti ja sementiitti. TTT-diagrammi kuvaa faasimuutosten lämpötiloja ja muutokseen vaadittavia aikoja, jolloin siitä voidaan tulkita haluttuun muutokseen tarvittavat lämpötilat ja ajat. [1] Material Science and Engineering, William D. Callister Jr (p. 290). Viitattu 28.2.2017. [2] http://www.msm.cam.ac.uk/phasetrans/2008/steel_microstructure/picture13.png. Viitattu 28.2.2017. Tapaus 1: Lopussa 100% bainiittia. Kuva 2. Perliitin mikrorakenne [2]